DE1201914B

DE1201914B - Magnetometer working with the Hall effect

Info

Publication number: DE1201914B
Application number: DEC18139A
Authority: DE
Inventors: Lydie Koch Geb Miramond; Gerard Lambert
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1957-12-30
Filing date: 1958-12-29
Publication date: 1965-09-30

Description

Mit dem Hall-Effekt arbeitendes Magnetometer Gegenstand der Erfindung ist ein Apparat, welcher die magnetischen Induktionen und insbesondere eine bestimmte Komponente des Vektors der magnetischen Induktion an einer gegebenen Stelle mit großer Genauigkeit mißt.The subject of the invention is a magnetometer operating with the Hall effect is an apparatus, which the magnetic inductions and in particular a certain Component of the vector of magnetic induction at a given point with measures with great accuracy.

Ein derartiger Apparat kann z.B. zur Aufzeichnung des magnetischen Feldbildes in dem Luftspalt eines Elektromagneten und/oder zur dauernden Überwachung des Feldes eines Elektromagneten benutzt werden. Such an apparatus can be used, for example, to record the magnetic Field image in the air gap of an electromagnet and / or for permanent monitoring of the field of an electromagnet.

Obwohl der Meßbereich und das Anwendungsgebiet eines erfindungsgemäßen Apparats sehr ausgedehnt sind, kann beispielshalber angegeben werden, daß ein derartiger Apparat die Messung einer magnetischen Induktion zwischen 500 und 10 000 Gauß mit einer Genauigkeit und einer Stabilität in der Größenordnung von 10-4 gestattet und daß er z. B. zur Aufzeichnung des Feldbildes der Ablenkmagneten eines Teilchenbeschleunigers, z. B. eines linearen Beschleunigers oder Synchrotrons, oder zur mauernden Überwachung des Feldes eines Elektromagneten eines Teilchenbeschleunigers der Zyklotronbauart oder eines Van-de-Graaff-Generators geeignet ist. Although the measuring range and the field of application of an inventive Apparatus are very extensive, it can be specified, for example, that such Apparatus capable of measuring a magnetic induction between 500 and 10,000 Gauss an accuracy and a stability of the order of 10-4 and that he z. B. to record the field image of the deflection magnets of a particle accelerator, z. B. a linear accelerator or synchrotron, or for masonry monitoring of the field of an electromagnet of a cyclotron type particle accelerator or a Van de Graaff generator is suitable.

Es sind bereits Geräte zur Messung von Magnetfeldern bekannt, die auf der Messung der Hallspannung U beruhen, die in einem Körper aus einem leitenden oder halbleitenden Stoff entsteht. Befindet sich der Körper in einem Magnetfeld mit der Induktion B und wird er von einem Strom I durchflossen, wobei die Vektoren l und B senkrecht aufeinander stehen, so ist die Hallspannung gegeben durch die Formel U = KBI . (1) In dieser Formel ist K eine charakteristische Konstante des betreffenden Stoffes. There are already devices for measuring magnetic fields known that based on the measurement of the Hall voltage U, which in a body consists of a conductive or semiconducting material. The body is in a magnetic field with induction B and a current I flows through it, the vectors l and B are perpendicular to each other, the Hall voltage is given by the Formula U = KBI. (1) In this formula, K is a characteristic constant of the substance concerned.

Zum besseren Verständnis der Grundbegriffe des Hall-Effekts, auf welchem das erfindungsgemäße Gerät beruht, ist in F i g. 1 ein Halbleiterkristall 1 mit hohem Koeffizienten K (zur Erhöhung der Meßgenauigkeit) dargestellt, welcher sich in einem (zu der Zeichenebene senkrechten) Magnetfeld B befindet und von einem durch zwei Zuführungselektroden 2 und 3 zugeführten Strom l durchflossen wird, wobei die Hallspannung U in einem offenen Stromkreis durch zwei Elektroden oder Hallsonden 4 und 5 abgenommen wird. For a better understanding of the basic concepts of the Hall effect, click on on which the device according to the invention is based is shown in FIG. 1 a semiconductor crystal 1 with a high coefficient K (to increase the measurement accuracy), which is in a (perpendicular to the plane of the drawing) magnetic field B and from a current I supplied through two supply electrodes 2 and 3 flows through it, wherein the Hall voltage U in an open circuit through two electrodes or Hall probes 4 and 5 is removed.

Bei den bisher bekannten, die Messung der Hallspannung benutzenden Magnetometern wird einerseits in einem offenen Stromkreis die Spannung U durch eine Gegenschaltungsmethode gemessen, indem sie gegen einen Bruchteil k, der Spannung einer äußerst stabilen Stromquelle mit der elektromotorischen Kraft E geschaltet wird, und andererseits in einem geschlossenen Stromkreis die Stromstärke l, indem man die Potentialdifferenz V an den Klemmen eines von dem Strom l durchflossenen Widerstandes R mißt, wobei die Messung von V vorzugsweise ebenfalls durch Gegenschaltung gegen einen Bruchteil k2 der Spannung E erfolgt. Die Formeln U = k,E und V = RI = k2E gestatten, aus den bekannten Werten von E und R und den gemessenen Werten von kl und k2 U und l zu ermitteln. Aus den Werten von U und I und dem Wert von K, welcher durch eine vorherige Eichung des Gerätes in einem bekannten Magnetfeld Bo bestimmt wird, kann aus der Formel (1) B bestimmt werden. In the previously known, the measurement of the Hall voltage using Magnetometers on the one hand the voltage U in an open circuit through a Counter-circuit method measured by acting against a fraction k, the voltage one extremely stable power source with the electromotive force E switched is, and on the other hand in a closed circuit the current l, by the potential difference V at the terminals of a current l flowing through it Resistance R measures, the measurement of V preferably also by counter connection takes place against a fraction k2 of the voltage E. The formulas U = k, E and V = RI = k2E, from the known values of E and R and the measured values to determine from kl and k2 U and l. From the values of U and I and the value of K, which is obtained from a previous calibration of the device in a known magnetic field Bo is determined, B can be determined from the formula (1).

Diese bekannten Magnetometer erfordern eine sehr große zeitliche Stabilität der elektromotorischen Kraft E und der den Halbleiterkristall speisenden Stromquelle, damit die Eichung in einem bekannten Magnetfeld Be für die später vorgenommene Messung des unbekannten Feldes B verwendet werden kann und damit sich E und l nicht zwischen der Messung von U und der Messung von V = Rl ändern. These known magnetometers require a very large amount of time Stability of the electromotive force E and that feeding the semiconductor crystal Power source so that the calibration carried out later in a known magnetic field Be Measurement of the unknown field B can be used and therefore E and l are not change between the measurement of U and the measurement of V = Rl.

Ein Magnetometer dieser bekannten Bauart ist schematisch in F i g. 2 dargestellt, in welcher man den Halbleiterkristall 1 wiederfindet, welcher mit einem Strom l (durch die beiden Elektroden 2 und 3) in Reihenschaltung mit einem Widerstand 6 mit dem Wert R aus einer Spannungsquelle 7 gespeist wird, deren Spannung und Strom sorgfältig stabilisiert sind, da sich der Widerstandr zwischen den Elektroden 2 und 3 in Wirklichkeit mit der Induktion B ändert. A magnetometer of this known type is shown schematically in FIG. 2, in which one can find the semiconductor crystal 1, which with a current I (through the two electrodes 2 and 3) in series with a Resistor 6 is fed with the value R from a voltage source 7, the voltage of which and stream carefully stabilized are, since the resistance r between electrodes 2 and 3 actually changes with induction B.

Die Werte von U und V werden durch Gegenschaltung gemessen, z. B., wie dargestellt, mittels einer gemeinsamen Anordnung. Diese enthält eine Stromquelle 8 mit einer sehr stabilen elektromotorischen Kraft E (deren Wert sehr häufig mit dem eines Normalelements verglichen wird), einen Spannungsteiler 9 mit seinem Schieber 9 c, ein Nullgalvanometer 10, einen Doppelumschalter C, welcher gestattet, gegen einen Bruchteil der Spannung E entweder die Potentialdifferenz V an den Klemmen des von dem Strom I durchflossenen Widerstands 6 (voll ausgezogene Stellung des Umschalters C) oder die Hallspannung U zwischen den Elektroden 4 und 5 (gestrichelte Stellung des Umschalters C) zu schalten. The values of U and V are measured by a counter connection, e.g. B., as shown, by means of a common arrangement. This contains a power source 8 with a very stable electromotive force E (the value of which is very often with that of a normal element is compared), a voltage divider 9 with its slide 9 c, a zero galvanometer 10, a double switch C, which allows against a fraction of the voltage E is either the potential difference V at the terminals of the resistor 6 through which the current I flows (fully extended position of the Switch C) or the Hall voltage U between electrodes 4 and 5 (dashed line Position of switch C).

Mit dem Gerät der Fig. 2 wird zu einem Zeitpunkt t, die Spannung U gemessen, indem man den Umschalter C in die gestrichelte Stellung bringt und den Schieber 9 c verschiebt, bis das Galvanometer 10 Null anzeigt. In diesem Augenblick befindet sich der Schieber 9 c in der gestrichelt dargestellten Stellung und entnimmt den Bruchteil kl des Wertes Es der elektromotorischen Kraft E zu dem Zeitpunkt tl, d. h. With the device of FIG. 2, at a point in time t, the voltage U measured by moving the switch C to the dashed position and the Slide 9 c moves until the galvanometer 10 shows zero. At this moment the slide 9 c is in the position shown in dashed lines and removes the fraction kl of the value Es of the electromotive force E at the time tl, d. H.

U = k1 E1. Die Messung von V erfolgt zu einem Zeitpunkt t2, indem der Umschalter C in die voll ausgezogen dargestellte Stellung gebracht und der Schieber 9c verschoben wird, bis das Galvanometer 10 von neuem Null anzeigt. Der Schieber 9c befindet sich dann in der voll ausgezogen dargestellten Stellung und entnimmt einen Bruchteil k2 des Wertes E2 der elektromotorischen Kraft E zu dem Zeitpunkt t2, d. h. V = k,E,. U = k1 E1. The measurement of V takes place at a time t2 by the changeover switch C brought into the fully extended position and the slide 9c is shifted until the galvanometer 10 again shows zero. The slider 9c is then in the position shown fully extended and removed a fraction k2 of the value E2 of the electromotive force E at the time t2, d. H. V = k, E ,.

Bei Kenntnis von K aus vorherigen Messungen in einem bekannten Magnetfeld ergibt sich: U U R R k1 E1 B = = . . Knowing K from previous measurements in a known magnetic field the result is: U U R R k1 E1 B = =. .

KI KV V k2 E2 Bis auf die Genauigkeit der Stabilität der elektromotorischen Kraft E gilt E1 = Ei, und R k1 B = . KI KV V k2 E2 Except for the accuracy of the stability of the electromotive Force E applies E1 = Ei, and R k1 B =.

K k2 Wenn daher die Stabilität von E sowie die der Stromquelle 7 gewährleistet sind, sind die hauptsächlichen Fehlerursachen folgende: Fehler des Widerstandes R; Fehler von K, d. h. Eichfehler der Spannungsquelle E; Fehler von kl, d. h. der Messung der Spannung U; Fehler von ki, d. h. der Messung der Spannung 17. K k2 If, therefore, the stability of E as well as that of the current source 7 are guaranteed, the main causes of errors are as follows: Errors in the Resistance R; Error of K, d. H. Calibration error of voltage source E; Error of kl, d. H. the measurement of the voltage U; Error of ki, d. H. measuring the voltage 17th

Diese Fehlerursachen erfordern praktisch, wenn eine Induktion B bis auf 10-4 genau gemessen werden soll, eine Stromquelle 7 und eine Hilfsspannungsquelle 8, welche auf 10-5 genau stabil sind, was den gesamten Apparat sehr kostspielig macht. These causes of error practically require when an induction B to to be measured accurately to 10-4, a current source 7 and an auxiliary voltage source 8, which are stable to within 10-5, which makes the entire apparatus very expensive power.

Es ist auch schon ein Gerät bekannt, bei dem mittels eines Halbleiters unter Verwendung nur einer Stromquelle die magnetische Induktion gemessen wird; dabei ist das Halbleiterelement in Reihe mit einem festen Widerstand parallel zu einem Spannungsteiler geschaltet, und ein Abgreifkontakt ist über ein Galvanometer mit einer einzigen Hallsonde verbunden. Einmal wird bei ausgeschaltetem Magnetfeld, sodann bei eingeschaltetem Magnetfeld der Abgreifkontakt so eingestellt, daß das Galvanometer stromlos ist. Aus dem Maß der Verstellung des Kontaktes soll dann das Magnetfeld bestimmt werden. There is also already known a device in which by means of a semiconductor the magnetic induction is measured using only one power source; the semiconductor element is in series with a fixed resistor parallel to switched to a voltage divider, and a tapping contact is via a galvanometer with a single Hall probe tied together. Once when the magnetic field is switched off, then with the magnetic field switched on, the tapping contact is set so that the Galvanometer is de-energized. From the extent of the adjustment of the contact, that should then Magnetic field can be determined.

Hierbei ist die erste Stellung des Kontaktes abhängig von dem Spannungswert der Spannungsquelle, es fehlt also eine feste Bezugsgrundlage für die Verstellung des Kontaktes bei der Bestimmung des magnetischen Feldes. Im übrigen wirkt dabei nicht nur die Hallspannung, sondern auch die Widerstandsänderung, die der Halbleiter durch das Magnetfeld erfährt, auf das Meßergebnis ein, wodurch sich verwickelte Verhältnisse ergeben, die das vorbekannte Gerät für Reihenuntersuchungen nicht geeignet erscheinen lassen.The first position of the contact is dependent on the voltage value the voltage source, so there is no fixed reference basis for the adjustment of the contact when determining the magnetic field. Otherwise it works not only the Hall voltage, but also the change in resistance caused by the semiconductor learns through the magnetic field, on the measurement result, whereby entangled Conditions result that the previously known device is not suitable for series examinations appear.

Zum Stande der Technik gehört auch ein Magnetometer, bei dem die Spannung an den Hallelektroden des Halbleiterelementes mit einer aus dem Stromkreis der Speiseelektrode entnommenen, der Spannung der einzigen Spannungsquelle proportionalen, elektrischen Größe verglichen wird; dieser Vergleich erfolgt jedoch auf magnetisch-dynamischem Wege. Es ist schließlich auch schon ein Hall-Effekt-Magnetometer bekannt, bei dem eine galvanische Vergleichs-bzw. Kompensationsschaltung für die Spannung zwischen den Hallelektroden vorgesehen und auch bereits eine Brückenschaltung benutzt wird. The prior art also includes a magnetometer in which the Voltage at the hall electrodes of the semiconductor element with one from the circuit taken from the feed electrode, proportional to the voltage of the single voltage source, electrical quantity is compared; however, this comparison is made on a magnetic-dynamic basis Ways. After all, a Hall-effect magnetometer is also known in which a galvanic comparison or. Compensation circuit for the voltage between the Hall electrodes are provided and a bridge circuit is already in use.

Demgegenüber ist das Ziel der vorliegenden Erfindung die Schaffung eines Gerätes, bei dem die dem zu messenden Magnetfeld proportionale Hilfsspannung zu einem Ohmschen Spannungsabfall in Vergleich gesetzt wird; dieser Spannungsabfall soll an einem Spannungsteiler abgreifbar sein, durch den ein dem zwischen den Speiseelektroden der Hallsonde fließender proportionaler Strom fließt, und es soll möglich sein, durch entsprechende Eichung des Gerätes an dem Spannungsteiler unmittelbar die Stärke des zu messenden Magnetfeldes abzulesen. On the other hand, the aim of the present invention is to provide of a device in which the auxiliary voltage proportional to the magnetic field to be measured is compared to an ohmic voltage drop; this voltage drop should be able to be tapped at a voltage divider through which the one between the feed electrodes proportional current flows through the Hall probe, and it should be possible the strength directly by calibrating the device on the voltage divider of the magnetic field to be measured.

Ein mit dem Hall-Effekt arbeitendes Präzisionsmagnetometer, das aus einem in dem zu messenden Feld befindlichen Halbleiterelement, das zwei Speiseelektroden und zwei Hallspannungs-Elektroden besitzt, aus einem Spannungsteiler mit veränderbarem Abgriff und aus einer Spannungsquelle besteht, an die sowohl der Spannungsteiler als auch die Speiseelektroden des Halbleiterelementes derart angeschlossen sind, daß durch das Halbleiterelement einerseits und den Spannungsteiler andererseits zueinander im wesentlichen proportionale Ströme fließen, ist gemäß der Erfindung in solcher Weise aufgebaut, daß dem Halbleiterelement ein erster Widerstand vorgeschaltet ist, dessen Wert groß gegenüber dem Widerstand des Halbleiterelementes ist, daß in Reihe mit dem Spannungsteiler ein einstellbarer zweiter Widerstand liegt, daß der Spannungsteilerabgriff über einen Schalter an die eine Hallspannungs-Elektrode und die andere Hallspannungs-Elektrode über ein Meßinstrument, z. B. ein Galvanometer, an dem Verbindungspunkt zwischen dem zweiten Widerstand und dem Spannungsteiler angeschlossen und der Spannungsteiler direkt in Werten der magnetischen Induktion geeicht ist. A precision magnetometer working with the Hall effect, which from a semiconductor element located in the field to be measured, the two feed electrodes and has two Hall voltage electrodes, from a voltage divider with variable Tap and consists of a voltage source to which both the voltage divider and the feeding electrodes of the semiconductor element are connected in such a way that by the semiconductor element on the one hand and the voltage divider on the other hand to each other essentially proportional currents flow is according to the invention constructed in such a way that the semiconductor element is preceded by a first resistor whose value is large compared to the resistance of the semiconductor element, that in series with the voltage divider is an adjustable second resistor that the voltage divider tap via a switch to the one Hall voltage electrode and the other Hall voltage electrode via a measuring instrument, e.g. B. a galvanometer, at the connection point between the second resistor and the voltage divider connected and the voltage divider directly in values of magnetic induction is calibrated.

Während die bereits erläuterten F i g. 1 und 2 zur Darlegung des Prinzips der Messung der magnetischen Induktion mittels des Hall-Effekts und zur Darstellung einer der dafür bereits benutzten Schaltung dienen, zeigt F i g. 3 die Schaltungsanordnung bei dem Gerät gemäß der Erfindung, bei der eine Brükkenschaltung verwendet wird. While the already explained F i g. 1 and 2 to illustrate the Principle of measuring magnetic induction by means of the Hall effect and for A representation of one of the circuits already used for this purpose is shown in FIG. 3 the Circuit arrangement at the device according to the invention, in which a Bridge circuit is used.

An eine Spannungsquelle 27 sind parallel zwei Stromkreise angeschlossen, von denen durch den einen der Strom, durch den anderen der Strom fließt. Der erste Stromkreis wird gebildet durch einen festen Widerstand 31 mit dem Wert R1, dem Halbleiterelement21 mit seinen beiden Speiseelektroden 22 und 23 und dem Widerstandswert r und dem Widerstand 32 mit dem Widerstandswert R2. Der vom Strom J durchflossene Stromkreis wird gebildet aus dem Widerstand 33 mit dem Widerstandswert R3, dem Spannungsteiler 34 mit dem Widerstandswert R4 und dem veränderlichen Widerstand 35 mit dem Widerstandswert R5, auf dem ein Abgreifkontakt (Schieber) 35c verstellt werden kann. Two circuits are connected in parallel to a voltage source 27, of which the current flows through one and the current through the other. The first The circuit is formed by a fixed resistor 31 with the value R1, the semiconductor element21 with its two feed electrodes 22 and 23 and the resistance value r and the resistance 32 with the resistance value R2. The circuit through which the current J flows is formed from the resistor 33 with the resistance value R3, the voltage divider 34 with the Resistance value R4 and the variable resistor 35 with the resistance value R5, on which a tapping contact (slide) 35c can be adjusted.

An dem Halbleiterelement 21 sind zwei Entnahmeelektroden 24 und 25 vorgesehen. Ein Galvanometer 40 ist einerseits an die Elektrode 24, andererseits an den Punkt 36 angeschlossen, der in dem von dem Strom J durchflossenen Stromkreis zwischen dem Spannungsteiler 34 und dem veränderlichen Widerstand 35 liegt. Auf dem Spannungsteiler gleitet ein Schieber 34 c; dieser ist über einen Schalter 37 mit der anderen Entnahmeelektrode 25 des Halbleiterelementes verbunden. Two extraction electrodes 24 and 25 are attached to the semiconductor element 21 intended. A galvanometer 40 is on the one hand to the electrode 24, on the other hand connected to point 36 in the circuit through which the current J flows between the voltage divider 34 and the variable resistor 35. on the voltage divider slides a slide 34 c; this is via a switch 37 connected to the other extraction electrode 25 of the semiconductor element.

Das Gerät nach F i g. 3 arbeitet wie folgt: Bei zunächst offenem Schalter 37 wird der Schieber 35 c des Spannungsteilers 35 so verstellt, daß das Galvanometer 40 Null anzeigt. Hierauf wird der Schalter 37 geschlossen und der Schieber 34 c des Spannungsteilers 34 so verstellt, daß das Galvanometer 40 von neuem auf Null gebracht wird. Jetzt hält die Potentialdifferenz zwischen den Hall sonden 24 und 25, die gleich KBI ist, dem Spannungsabfall mW in dem auf der rechten Seite des Schiebers 34c liegenden Abschnitt des Spannungsteilers 34 das Gleichgewicht; mit W ist der Spannungsabfall längs des ganzen Spannungsteilers 34 bezeichnet, mit m W der Spannungsabfall auf dem Teilabschnitt, wobei in also einen Wert zwischen 0 und 1 hat. The device according to FIG. 3 works as follows: When initially open Switch 37, the slide 35 c of the voltage divider 35 is adjusted so that the Galvanometer 40 indicates zero. The switch 37 is then closed and the slide 34 c of the voltage divider 34 adjusted so that the galvanometer 40 on again Zero is brought. Now the potential difference between the Hall probes holds 24 and 25, which is equal to KBI, the voltage drop mW in that on the right the slider 34c lying portion of the voltage divider 34 the equilibrium; W denotes the voltage drop along the entire voltage divider 34, with m W is the voltage drop on the subsection, with a value between Has 0 and 1.

Die Stellung des Schiebers 34c des Spannungsteilers 34 kann durch vorherige Eichmessung mit einer bekannten magnetischen Induktion Bo unmittelbar in Gauß geeicht werden. The position of the slide 34c of the voltage divider 34 can by previous calibration measurement with a known magnetic induction Bo immediately be calibrated in Gauss.

Die besonderen Vorteile dieser Anordnung bestehen darin, daß ein fester Nullpunkt durch Betätigen des Schalters 37 jeder Zeit festgelegt werden kann und die Stellung des Schiebers 34c ein unmittelbares Maß für die tatsächlich herrschende magnetische Induktion B ist, welche symbolisch in F i g. 3 als senkrecht zur Zeichenebene verlaufend dargestellt ist. The particular advantages of this arrangement are that a fixed zero point can be set at any time by pressing switch 37 and the position of the slide 34c is a direct measure of the actually prevailing magnetic induction B, which is symbolically shown in FIG. 3 as perpendicular to the plane of the drawing is shown running.

Durch eine besondere Bemessung der Widerstände kann man die Abhängigkeit des auf dem Spannungsteiler 34 gemessenen Widerstandswertes von dem Wert der magnetischen Induktion angenähert linear gestalten, wie durch die folgende Rechnung gezeigt werden soll: Bei geöffnetem Schalter 37 und Nullstellung des Galvanometers 40 haben die Punkte 24 und 36 das gleiche Potential. Das bedeutet, daß folgende Beziehung gilt: (Rl + ar + bKB) I = (R3 + R4) J- (2) Hier ist mit r der Widerstand zwischen den Elektroden 22 und 23 bezeichnet, von dem nur ein gewisser Bruchteil a r eingeht, wobei a etwa gleich 1/2 und von der magnetischen Induktion B abhängig ist. By a special dimensioning of the resistances one can get the dependency of the resistance value measured on the voltage divider 34 from the value of the magnetic Make induction approximately linear, as shown by the following calculation should: With the switch 37 open and the galvanometer 40 in the zero position, the Points 24 and 36 have the same potential. This means that the following relationship applies: (Rl + ar + bKB) I = (R3 + R4) J- (2) Here with r the resistance between the Electrodes 22 and 23, of which only a certain fraction a r is received, where a is approximately equal to 1/2 and depends on the magnetic induction B.

Mit b ist ein ebenfalls etwa in der Nähe von 1/2 liegender Koeffizient bezeichnet, der von der Geometrie des Kristalls und der Lage der Hallelektroden 24 und 25 und auch von B abhängt.With b is a coefficient which is also approximately in the vicinity of 1/2 refers to the geometry of the crystal and the position of the Hall electrodes 24 and 25 and also depends on B.

Bei geschlossenem Schalter 37 und Nullstellung des Galvanometers 40 gilt die Beziehung mR4 J= U= KBI. (3) Gemäß der weiteren Erfindung wird der Wert des Widerstandes Rt so bemessen, daß er groß gegen die Werte von ar und b KB wird, die letztgenannten Größen also vernachlässigt werden können. Unter diesen Umständen vereinfacht sich die Gleichung (2): R, 1 1 R,) J. (2a) Errechnet man aus den Formeln (2a) und (3) das Verhältnis IIJ und setzt die dafür gefundenen Werte einander gleich, so ergibt sich mR4 ~ R3 + R4; (4) KB daraus ergibt sich für die magnetische Induktion der Wert B R4 m = K' K' m . (4a) K(Rs + R4) Im praktischen Betrieb hat sich ein Gerät bewährt, bei dem die in F i g. 3 bezeichneten Widerstände folgende Ohmwerte haben: Rt = 20, R2 = 2, R2 = 1, R4=25000, R5 = 100 000. With switch 37 closed and the galvanometer set to zero 40 the relationship mR4 J = U = KBI applies. (3) According to the further invention, the value becomes of the resistance Rt is dimensioned in such a way that it becomes large compared to the values of ar and b KB, the latter quantities can therefore be neglected. Under these circumstances Equation (2) is simplified: R, 1 1 R,) J. (2a) Calculated from the formulas (2a) and (3) the ratio IIJ and equates the values found for it, this gives mR4 ~ R3 + R4; (4) KB results from this for magnetic induction the value B R4 m = K 'K' m. (4a) K (Rs + R4) In practical operation, a Tried and tested device in which the in F i g. 3 resistors indicated the following ohmic values have: Rt = 20, R2 = 2, R2 = 1, R4 = 25,000, R5 = 100,000.

Mit derartigen Widerständen und einem Kristall aus Indiumarsenid kann man mit einem Strom I in der Größenordnung von 0,1 bis 0,2 A Induktionen zwischen etwa 500 und 10 000 Gauß mit einer Genauigkeit und Stabilität in der Größenordnung von 10- messen. With such resistors and a crystal made of indium arsenide one can with a current I in the order of 0.1 to 0.2 A inductions between about 500 and 10,000 Gauss with an accuracy and stability of the order of magnitude of 10- measure.

Für den Fall, daß die Arbeitsbedingungen des Gerätes stärkere Temperaturschwankungen mit sich bringen, empfiehlt es sich, bekannte Mittel anzuwenden, um den Einfluß der Temperaturänderungen auf die Meßwerte zu kompensieren. In the event that the working conditions of the device have greater temperature fluctuations bring with them, it is advisable to use known means to the influence to compensate for the temperature changes on the measured values.

Ein erfindungsgemäßes Gerät zur Messung magnetischer Felder und Induktionen weist beträchtliche Vorteile gegenüber den bekannten Geräten auf, insbesondere folgende: Die Messungen sind von kleinen Schwankungen von 1 unabhängig, so daß man sich mit einer auf 1 Ole stabilisierten Speisung begnügen kann (anstatt einer Stabilisierung von 10-5 bei den bekannten Magnetometern); eine ebenfalls auf 10-5 stabilisierte Spannungsquelle 8 für die Hilfsspannung E ist nicht erforderlich; die Genauigkeit der Messungen kann größer als bei den bekannten Magnetometern sein, da sie nur noch durch die Stabilität der Widerstände und die Linearität des Meßspannungsteilers (26 oder 34) begrenzt ist; die Meßvorgänge werden erheblich vereinfacht; es kann ein Gerät mit direkter Ablesung ohne Preisgabe der Genauigkeit von 10-4 hergestellt werden; der Gestehungspreis des Gerätes wird um den Preis der stabilisierten Spannungsquellen herabgesetzt und kann so leicht durch einen Faktor in der Größenordnung von zehn dividiert werden; es treten keine neuen Nachteile gegenüber den bereits bekannten auf dem Hall-Effekt beruhenden Magnetometern anhaftenden auf (Notwendigkeit des Vorhandenseins eines sehr stabilen Normalwiderstandes sowie eines ebenfalls stabilen und genauen Meßspannungsteilers, da der Normalwiderstand bei einem erfindungsgemäßen Magnetometer unmittelbar den Widerstand des Spannungsteilers bildet). A device according to the invention for measuring magnetic fields and inductions has considerable advantages over the known devices, in particular the following: The measurements are independent of small fluctuations of 1, so that one can deal with can be satisfied with a feed stabilized on 1 Ole (instead of a stabilization from 10-5 for the known magnetometers); one also stabilized at 10-5 Voltage source 8 for auxiliary voltage E is not required; the precision the measurements can be larger than with the known magnetometers, since they only have due to the stability of the resistors and the linearity of the measuring voltage divider (26 or 34) is limited; the measuring processes are considerably simplified; it can made a device with direct reading without sacrificing the accuracy of 10-4 will; the cost price of the device is around the price of the stabilized voltage sources degraded and can be so easily by a factor in the order of magnitude divided by ten; there are no new disadvantages compared to the already known magnetometers based on the Hall effect adhering to (necessity the presence of a very stable normal resistance as well as one as well stable and accurate measuring voltage divider, since the normal resistance in an inventive Magnetometer directly forms the resistance of the voltage divider).

Claims

Claim: Precision magnetometer working with the Hall effect, consisting of a semiconductor element located in the field to be measured, the has two feed electrodes and two Hall voltage electrodes, a voltage divider with changeable tap and a voltage source to which both the voltage divider and the feeding electrodes of the semiconductor element are connected in such a way that by the semiconductor element on the one hand and the voltage divider on the other hand Currents that are essentially proportional to one another flow, which means that - indicates that the semiconductor element (21) is preceded by a first resistor (31) whose Value large compared to the resistance of the semiconductor element (21) is that in series with the voltage divider (34) is an adjustable second resistor (35) that the voltage divider tap (34c) via a switch (37) to the one Hall voltage electrode (25) and the other Hall voltage electrode via a measuring instrument, e.g. B. a galvanometer (40), to the connection point (36) between the second resistor (35) and the Voltage divider (34) is connected and the voltage divider directly in values the magnetic induction is calibrated.

Documents considered: German Patent No. 170 872; German Auslegeschrift 5 31041 VIII c / 21 n (published on November 3, 1955); U.S. Patent Nos. 2562 120, 2536 806, 2,585,707; British patent specification No. 747,708; French Patent No. 1,166,600; Journal Helv. Phys. Akta, 27 (1954), pp. 690ff .; Brit magazine Journ. of Appl. Phys., 6 (1955), p. 217 to 220.